固定网络具有大带宽、低延迟、高稳定性和灵活性等优势,能够提供优质的网络服务,因此得到了广泛应用。然而在固定网络的发展过程中,始终没有对其进行技术的代际划分,这在一定程度上限制了固定网络技术的发展。为此,我们根据不同发展阶段的特点,将固定网络的发展历程划分为5个阶段。目前,固定网络正在进入第五代固定网络时代(F5G)。

如果将无线网络看作是“空中一张网”,那么固定网络就可以看作是“地上一张网”,无线网络和固定网络的协同能够提供更好的性能与用户体验。相比于无线网络,固定网络能够提供更大的带宽和更高的可用性。无线网络的扩展需要依托固定网络,光纤是无线基站的最佳连接介质,具有大带宽、广覆盖和低延迟等特征的移动网络业务需要通过光纤接入和承载。F5G能够提高通信速度和用户体验,提供千兆接入,保证时延和可靠性,实现光纤连接任何地方和任何事物(FTTE,Fiber-To-The-Everywhere-and-Everything)。当前固定网络亟需解决的关键问题是如何实现基于更高速率和更灵活的光传输技术进行大规模组网和管控。

针对该问题,本文总结并提出了不同网络层次的技术需求,其中包括数据传输层面、管道协议层面以及业务协议层面。

固定网络的发展阶段

自19世纪以来,固定网络已经发展了100多年。类似无线网络中的时代划分,根据不同时期固定网络的技术特征,也可以将其发展历程划分为5个阶段,如图1所示。

图1无线网络和固定网络发展的5个阶段

第一代固定网络是电话网。该时期从电话网诞生一直持续到20世纪末,经历了一个多世纪。在该时期内,拨号接入和ISDN发展速度非常缓慢,仅能支持音频服务和拨号呼叫。该阶段已经形成一个较完整的电话网络基础设施,并且其网络架构以及控制信号能够很好地适配全球网络,这标志着电信全球化的开始。

第二代固定网络是宽带时代。该时期从20世纪末到21世纪初,随着互联网以及ADSL技术的推广,固定网络进入高速发展时期,宽带时代正式开始。个人电脑和浏览器的普及推动了互联网的迅速发展,固定网络的应用由电话扩展到了电子邮件、搜索引擎以及网页浏览等。

第三代固定网络是下一代接入网(NGA)时代,由互联网和宽带网络共同推进。从2006年开始,运营商提供基于宽带网络的服务,固网的业务和网络架构都出现巨大的变化。由于传统ADSL技术和原有电话网的架构无法支撑“宽带”业务,因此引入VDSL技术。20世纪70年代,光纤通信技术出现,并且在接入网中得到首次应用,从而实现FTTx网络架构。

第四代固定网络的标志是4K高清和光纤宽带。2010年左右,随着光纤取代铜缆,GPON等光宽带接入技术得到了快速发展。2012年,4K高清信号的出现,需要不低于100Mbit/s的宽带网络。由于光接入网具有高带宽、稳定、结构简化和能够长期发展的优势,因此得到运营商的关注,从而全面展开第四代固网建设,促进了全球光纤网络的发展。

第五代固定网络需要上下行速率达到千兆及以上,时延降低到100μs以下。F5G率先进入国内市场,主要的业务应用包括基于千兆网络的高清视频通信、VR服务等。其具备的千兆接入能力不仅能够应用于家庭中,也可以延伸到各种行业,例如企业、银行、工业等。与第四代相比,第五代光纤带宽提高了10倍,并且具有超高可靠性、超低时延等优势,能够实现行业的数字化转型。

F5G的主要特征

F5G的主要特征有3个,分别是超大带宽(eFBB,EnhancedFixedBroadBand)、全光连接(FFC,Full-FiberConnection)和极致体验(GRE,GuaranteedReliableExperience),如图2所示。

图2F5G的主要特征

超大带宽(eFBB):支持高速、大容量通信和高频谱效率的业务需求。与F4G光纤带宽相比,以10GPON为代表的光纤接入技术使得F5G的带宽提高了10倍以上,网络带宽具备上下行对称千兆宽带能力。Wi-Fi6技术将“最后10米”进行千兆连接,用户可以连接到数据中心,享受高带宽体验。全面部署200Gbit/s和400Gbit/s单波长OTN,广泛应用C波段和L波段,不断提高OTN容量,实现单光纤40Tbit/s以上高性能传输。OTN负责数据中心互连,甚至提供数据中心内部服务器之间的高速连接。

全光连接(FFC):支持高覆盖连通性扩展和高海量密集通信的业务需求。F5G使用全覆盖的光纤基础设施来支持无处不在的连接。服务场景得到了扩展,连接数量增加了100倍以上,实现了全光纤连接的时代。在业务服务领域,OTN降低了容器粒度,提供了小至2Mbit/s的连接,引导了MSTP业务的迁移方向,解决了传统以太网、VPN、SD-WAN专线业务的质量弱点,能够提供高质量的专线服务。在许多不同的场景中,向全光纤连接过渡时,可减少所需的网络聚合点数目,为运营商减少实际中心局(CO,centeroffice)数目和简化网络。接入和传输之间的边界将变得模糊,F5G预计将在这两层之间实现更紧密的协调。

极致体验(GRE):支持低延迟、高可靠和高可用性通信、高运行效率的业务需求。网络依托光纤独特的高质量传输能力,支持近乎零丢包、微秒级延迟和抖动,配合人工智能和大数据支持的智能运维,满足用户对极致服务体验的需求。特别是对于高带宽、延迟敏感、包丢失敏感的服务,如高清视频、云VR和云游戏,需要在OTN、PON和Wi-Fi上进行毫秒级低延迟传输,需要智能实时的服务识别和高质量的网络资源分配。专线服务和其他行业应用程序服务需要稳定可靠的带宽、毫秒级延迟和高可用性来支持SLA承诺,网络需要具有灵活的E2E容量预留和隔离能力。移动承载业务还需要高带宽、毫秒级低延迟、高可靠性组网和高精度时钟同步技术,以确保各种移动宽带业务的质量。

典型应用场景

由于光网络具有传输速度快、传输距离长等优势,为支撑F5G的3个特征,需要使用全光网络进行业务承载。F5G能够支持并推动一些新兴应用场景,主要包括云VR、云企业、在线游戏、在线医疗、智能工厂等。下面介绍3个典型应用场景。

云VR

独立信道的云VR传输如图3所示。云VR就是在VR服务中引入云计算和云渲染技术。VR服务对带宽、时延、丢包率等网络指标敏感,云VR就是将云端的视频和音频进行编码、压缩,然后通过高速可靠的网络传送到用户终端,用户本地不需要具备高性能的渲染设备。为保证良好的VR体验,VR流量需要通过专用的VR服务信道进行传输,因此需要进行业务识别。骨干网中也是通过专用的VR服务信道传输。

高质量专线

高质量专线服务如图4所示。对于一些有特殊需求的行业或者部门,需要提供专线服务。对于证券和期货行业,为保证交易工作的连续性,需要从营业厅到总部具有双线冗余;对于医疗机构,需要进行远程医疗、移动医疗等服务,大量的医学图像等数据需要上传和下载,需要稳定的高带宽专线;随着企业数字化发展,企业对云化专线提出了更高的要求。云专线需要具备带宽保证、低时延、高链路可用性、灵活访问和高效管控等功能。

住宅场景宽带应用

如图5所示,在住宅中,宽带网络的典型应用包括在线教育、在线游戏、在线会议等。通过使用宽带网络组件对一些高需求的带宽应用进行识别,并且为这些业务在终端和云之间提供质量较高的网络资源,以提升用户体验,所有的组件和网络资源等都是由端到端控制平面进行统一管理。

F5G挑战与关键技术

随着固定网络的发展,未来的网络形态一定是具有海量连接、超大带宽特征的端到端大规模全光网络。为保障用户的极致体验,实现网络智能化,目前已有技术无法支撑F5G的核心需求,不同层面的关键技术亟需创新。其中,新一代管道协议尤为重要。

在F5G甚至F6G时代,在百万级连接的场景下,业务的高动态并发是一个重要特征,由此引发业务编排、快速路由建拆、业务并发重构等一系列问题;为保证用户极致体验,需要实现业务感知、确定性网络、光网安全等;同时,数据层面的传送、接入技术等也需要升级创新。针对不同层次的技术需求,F5G中关键技术可分为业务协议层、管道协议层、数据传输层,如图6所示。

图4高质量专线服务

图5住宅场景宽带应用

在数据传输层,针对业务流量和网络带宽持续增长带来的运营问题,200G/400G/800G等高速线路传输技术在100G基础上进一步提升网络容量、降低每比特光传输成本和功耗,主要手段包括提高线路波特率、使用高阶调制和多子载波。

传统光传送网(OTN)采用光层波分复用、电层时分复用的方式,具有大容量、长距离等优势。随着用户数量和业务数量的迅速增长,传统OTN带宽粒度大,难以实现带宽的灵活调整。针对该问题,提出OSU灵活管道技术,在保持OTN的超低时延、超高可靠性的同时,进一步实现了超小带宽粒度(2Mbit/s)、按需无级无损带宽调整的能力,达到100%的带宽利用率。

图6F5G中的关键技术

10GPON和Wi-Fi6是F5G的代表技术。随着对网络性能要求的提高,当前GPON技术难以实现未来高带宽需求。针对该问题,10GPON技术能够提供足够带宽,提高分光比和传输距离。已有Wi-Fi技术难以实现当前高速度、低延时、大容量、安全性和节能等需求。针对该问题,Wi-Fi6技术主要使用OFDMA、MU-MIMO等技术,能够提高频谱效率和密集用户条件下吞吐量,最多可同时与8台设备通信。

在光网络通信速率和距离全面提升的同时,光纤防护弱和光纤窃听技术日益成熟,使得光纤通信安全问题日益突出。针对传统安全传输中密钥管理复杂、线路开销无防护、配置维护复杂等问题,面向波分和接入光内生安全技术能够实现零密钥管理、信号全防护以及零配置的优势,保证用户的端到端安全可靠传输。

管道协议层关键技术

在管道协议层,F5G中的连接数量、网元数量都是巨大的。当前路由策略难以实现网络资源的充分利用和快速路由。针对该问题,笔者提出面向海量连接的轻量化路由协议。一种思路是结合SDN和段路由(SR,SegmentRouting)的思想,区别于传统路由协议中所有节点处理网络拓扑信息,将集中式和分布式方法相结合,部分节点具有标识的功能,从而避免由于网络波动引起的不稳定性,适用于大规模组网的场景。

F5G中OSU传输粒度变小,单根光纤可承载的业务数量大幅增长,单次断纤对大量业务造成影响。针对该问题,为保证用户服务质量尽可能不受影响,笔者提出面向海量连接的高并发业务重构技术。研究在海量连接的场景下,如何对业务进行高并发重构,尽可能减小网络流量调度影响,在硬件一定约束下,确保多业务并发重构的性能。探索如何降低资源冲突带来的拥塞问题,保证带宽资源的合理应用。

目前已有技术只能实现业务的透明传输,管道的作用仅仅停留在传送层面,并且网络中带宽、时延、故障恢复时间等的不确定性,无法满足用户极致体验的需求。针对该问题,笔者提出业务感知的多维资源确定性网络。业务感知信道能够对业务进行识别,针对业务不同需求实现端到端管控;确定性网络为用户提供准确的业务建立时间,在故障场景下提供准确的故障恢复时间等,保障确定性连接控制。

OSU技术将ODU划分为更小的粒度,使得连接数量增加10倍以上,随着用户数量增加,多颗粒业务调度可能会导致网络流量不均衡、光节点容量利用率低。针对该问题,笔者提出面向OSU的多粒度流量疏导。研究小粒度传输对网络流量带来的影响,在虚拟拓扑和物理拓扑上设计合理的路由和波长分配方案,将多个低速业务汇聚到高速光路中,以降低网络成本、提升光节点容量利用率。

F5G中设备、层次等具有多样性,导致端到端之间不同传输机制、传输对象、网络设备等无法进行适配,并且对于不同的业务,其需求(如大带宽、低延迟、广连接)不同,因此难以对其进行传输。针对该问题,笔者提出跨层域多粒度传输管道适配技术。将网络划分为一个个逻辑独立的虚拟网络,即网络切片。使用网络切片对不同业务进行传输,不同切片之间互相隔离,实现网络资源的按需分配,以及管道适配不同业务需求。

业务协议层关键技术

在业务协议层上,为保障服务质量,需要传送与计算、存储资源共同作用。各类云计算平台的分段管理使得资源协同控制困难,难以实现网络资源的智能调度和最优化部署。如何构建面向计算传送资源的网络智能协同控制体系,是实现网络资源效率最优化的关键问题。针对该问题,笔者提出计算存储传送资源融合技术。研究多维度网络资源虚拟化机理及统一度量方法,探索面向资源融合的网络资源协同控制方案,实现云内和云间资源的智能协同控制。

为满足不同业务的差异化需求,需要将物理网络划分为多个逻辑独立的虚拟网络。不同业务之间需要互相隔离且能够独立运维以满足可靠性要求,如何实现网络切片的按需分配并实现端到端安全承载,是实现网络服务质量保障的关键问题。针对该问题,笔者提出端到端虚拟化安全切片技术。研究网络切片的可靠控制和管理方案,建立应用驱动的切片端到端安全风险评估模型,探索不同类型切片之间安全风险的相互作用,实现网络切片的安全隔离。

5G的核心需求之一是实现业务的端到端部署,但5G基站依赖于固定网络,仅依靠其自身无法实现完全的端到端部署。针对该问题,笔者提出轻量级端到端业务管理编排技术。主要功能是实现业务逻辑和业务自动开通,向下调用控制器和网络设备,获取全网络拓扑,呈现所有设备状态和网络,完成业务端到端的快速部署,对于复杂业务,可对其进行分解,实现网络向智能化和运营智慧化的方向发展。

未来发展趋势

F5G面临的发展机遇包括相关端侧的设备升级、基础设施建设、产业标准化推动等。F5G能够助力光联万物,支持更多新型应用场景,如智能工厂、智慧教育、智慧城市等,实现上千台设备的连接、海量数据的微秒级传输等。F5G可应用于大带宽、低时延、高安全的场景,5G可应用于高移动、多连接的场景。为构筑“新基建”,F5G和5G在不同的应用场景下相互补充。F5G既能作为5G传输网中的支撑,又能与5G协同,满足不同行业对固定网络和移动网络融合的需求,极大地提高用户体验,推动行业数字化转型,促进社会经济高质量增长。

同时,F5G的发展也面临着许多挑战,具体表现在以下几个方面。

一是网络成本高。F5G大带宽的特征需要新建海量站点,并且从站点、接入、汇聚到核心机房需要进行设备升级,拓宽端到端管道;低时延的特征需要对网络架构进行调整,云端算力、应用等需要下沉到接入、汇聚、核心等机房以及用户端,形成分布式边缘节点。

二是运维效率低。传统运维模式依赖于用户投诉、上门维修处理,依靠人工经验进行故障定位处理。对于海量设备和广连接的场景,需要将网络资源可视化,进行网络感知,实现主动运维模式,完成智能故障预测、故障定位和故障处理。

三是全光连接难。为实现全光连接、光纤到桌面和机器等,需要在现有设施的基础上,对光终端、光接入、光传送等层面进行升级,从而为个人、家庭、企业带来智能、超宽、高速的全光网络。

四是行业认可慢。涉及新的网络架构、新的技术解决方案等,需要提前完成知识产权布局;一系列关键技术攻关,存在巨大学术创新空间;行业认可需要一系列国际/国家标准制订和产业链逐步形成,过程缓慢。

现阶段固定网络已经进入F5G时代,业务对网络的需求越来越高。针对F5G发展方向,大规模、多粒度组网一定是未来网络体系架构的核心特征,由此带来不同层面的传输控制问题。针对F5G的核心需求,本文分析了已有技术的不足,总结了数据传输层面、管道协议层面以及业务协议层面的关键技术需求。通过这些技术的协同攻关,能够满足F5G的三大特征以及未来F5G应用中的业务需求。

李鑫,赵永利,李卓桐,李亚杰,张杰.第五代固定通信网F5G发展展望[J].通信世界,2021(04):32-36.